第五章数控机床伺服驱动系统
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机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过 载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
比较环节 Pci
转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
工作台
光栅或光 电编码器
图5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉 冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根 据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图5-2所示。
数控机床的伺服驱动系统
1. 脉冲比较伺服系统组成
图5-2是以光电编码器为位置检测元件的脉冲比较伺服 系统。它主要由下列部分组成：
指令脉冲
△Pi D/A
（5）低速大转矩
机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动 机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝 杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的 转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。
数控机床的伺服驱动系统
（6）较强的过载能力 由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动
第五章数控机床伺服驱动系统
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述 5.2 位置控制 5.3 主轴定向控制 5.4 伺服系统性能及参数 5.5 全数字式伺服系统 5.6 经济型数控系统 5.7 标准型数控系统 5.8 典型FANUC数控系统介绍
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述
伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。数控机床伺服 系统（Servo System）通常是指进给伺服系统，它是数控系 统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组 成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的 内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部 件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算 生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接 反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。
数控机床的伺服驱动系统
5.1.1 伺服系统的组成 伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进
给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插 补脉冲转换为机械位移。伺服系统的性能直接影响数控机床 的精度和工作台的速度等技术指标。
数控机床的伺服驱动系统
5.1.2 数控机床对伺服系统的要求
（1）高精度 由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了
保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。 一般要求定位精度达到0.01～0.001mm；高档设备的定位精 度要求达到0.1µm以上。速度控制要求在负载变化时有较强 的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保 证有较好的加工精度。
输入位置比较器中的位置指令有两类方式——脉冲列和 数值指令。
数控机床的伺服驱动系统
一、脉冲比较伺服Baidu Nhomakorabea统
在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。 这是因为该系统结构较为简单，易于实现数字化的闭环位置 控制。脉冲比较伺服系统的检测元件可以是光电脉冲编码器 或光栅。但普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭 环形式构成伺服系统。
位置控制是进给伺服系统的重要组成部分，是保证进给位置 精度的重要环节。位置控制按其结构可分为开环和闭环控制。开
环伺服系统位置控制比较简单，根据进给系统的需要由CNC装置
发送所需要的脉冲指令便实现了位置控制。对闭环或半闭环伺服 系统，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置检测三部分组
成，如图5-1所示。
数控机床的伺服驱动系统
（2）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时
都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应 有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的 可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机 械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给 电网，以实现快速制动。
数控机床的伺服驱动系统
2.脉冲比较伺服系统的工作原理 当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算 得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的 指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工 作台的进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器 与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动， 产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。 现设工作台处于静止状态。
数控机床的伺服驱动系统
（4）调速范围宽
目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0～ 30m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮 的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电 动机，因使用无级调速，要求有（1:100）～（1:1000）范 围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。
位置控制
速度控制
位置指 P令 C ＋ 位－ 置 Pf比 △ 较 P器 位置变换/速度UP*+－ 速度△ 比U较 P器 实 速际 度速 调度 节器UP
实际位置
电动机 速度传感器
位置检测
图5-1 位置控制回路组成
位置传感器 位置变换/速度
数控机床的伺服驱动系统
5.2.1 位置比较实现的方式
位置控制的作用是将CNC装置插补出的瞬时位置指令值 PC和检测出的位置Pf在位置比较器中进行比较，产生位置偏 差ΔP，在把ΔP转为瞬时速度指令电压UP。
数控机床的伺服驱动系统
（3）响应快速
为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的 快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺 服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系 统处于频繁地起动、制动、加速、减速等动态过程中，为了 提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以 缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大 减少到零，时间应控制在200毫秒以下，甚至少于几十毫秒， 且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过 程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
比较环节 Pci
转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
工作台
光栅或光 电编码器
图5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉 冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根 据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图5-2所示。
数控机床的伺服驱动系统
1. 脉冲比较伺服系统组成
图5-2是以光电编码器为位置检测元件的脉冲比较伺服 系统。它主要由下列部分组成：
指令脉冲
△Pi D/A
（5）低速大转矩
机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动 机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝 杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的 转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。
数控机床的伺服驱动系统
（6）较强的过载能力 由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动
第五章数控机床伺服驱动系统
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述 5.2 位置控制 5.3 主轴定向控制 5.4 伺服系统性能及参数 5.5 全数字式伺服系统 5.6 经济型数控系统 5.7 标准型数控系统 5.8 典型FANUC数控系统介绍
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述
伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。数控机床伺服 系统（Servo System）通常是指进给伺服系统，它是数控系 统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组 成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的 内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部 件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算 生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接 反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。
数控机床的伺服驱动系统
5.1.1 伺服系统的组成 伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进
给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插 补脉冲转换为机械位移。伺服系统的性能直接影响数控机床 的精度和工作台的速度等技术指标。
数控机床的伺服驱动系统
5.1.2 数控机床对伺服系统的要求
（1）高精度 由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了
保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。 一般要求定位精度达到0.01～0.001mm；高档设备的定位精 度要求达到0.1µm以上。速度控制要求在负载变化时有较强 的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保 证有较好的加工精度。
输入位置比较器中的位置指令有两类方式——脉冲列和 数值指令。
数控机床的伺服驱动系统
一、脉冲比较伺服Baidu Nhomakorabea统
在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。 这是因为该系统结构较为简单，易于实现数字化的闭环位置 控制。脉冲比较伺服系统的检测元件可以是光电脉冲编码器 或光栅。但普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭 环形式构成伺服系统。
位置控制是进给伺服系统的重要组成部分，是保证进给位置 精度的重要环节。位置控制按其结构可分为开环和闭环控制。开
环伺服系统位置控制比较简单，根据进给系统的需要由CNC装置
发送所需要的脉冲指令便实现了位置控制。对闭环或半闭环伺服 系统，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置检测三部分组
成，如图5-1所示。
数控机床的伺服驱动系统
（2）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时
都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应 有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的 可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机 械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给 电网，以实现快速制动。
数控机床的伺服驱动系统
2.脉冲比较伺服系统的工作原理 当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算 得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的 指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工 作台的进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器 与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动， 产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。 现设工作台处于静止状态。
数控机床的伺服驱动系统
（4）调速范围宽
目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0～ 30m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮 的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电 动机，因使用无级调速，要求有（1:100）～（1:1000）范 围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。
位置控制
速度控制
位置指 P令 C ＋ 位－ 置 Pf比 △ 较 P器 位置变换/速度UP*+－ 速度△ 比U较 P器 实 速际 度速 调度 节器UP
实际位置
电动机 速度传感器
位置检测
图5-1 位置控制回路组成
位置传感器 位置变换/速度
数控机床的伺服驱动系统
5.2.1 位置比较实现的方式
位置控制的作用是将CNC装置插补出的瞬时位置指令值 PC和检测出的位置Pf在位置比较器中进行比较，产生位置偏 差ΔP，在把ΔP转为瞬时速度指令电压UP。
数控机床的伺服驱动系统
（3）响应快速
为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的 快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺 服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系 统处于频繁地起动、制动、加速、减速等动态过程中，为了 提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以 缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大 减少到零，时间应控制在200毫秒以下，甚至少于几十毫秒， 且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过 程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。